Hidrojenli Araçlar-Sorunlar-Yakıt
Dağıtım Sorunları:
1--Kendi iç sorunlarını aştıklarında, hidrojen itkili
otomobilleri dışarıda bir sorun bekleyecek: Yakıtlarını yenile-mek için gereken
altyapı. Eğer hidrojen büyük tesislerde üretilecekse, tüketiciye ulaşacağı
noktalara kadar ya
tankerlerle ya da boru
hatlarıyla taşınması gerekecek.
1.1--Hidrojenin düşük
yoğunluğu nedeniyle bir tanker dolusu benzinin enerji içeriğine eşdeğer
hidrojeniyse ancak 21 tanker taşıyabilir. Eğer tanker de hidrojenle
çalışıyorsa, 500 kilometre yol alması için taşıdığı yükün %40’ını kendisi
kullanmak zorunda.
2--Peki hidrojen gaz değil de
sıvı olarak taşınamaz mı? Uzmanlar bu çözümün pratikliğine, ticari ölçekli
günümüz soğutucularının çok fazla enerji tükettikleri gerekçesiyle itiraz
ediyorlar.
2.1--Ya uzun mesafeli
taşımayı boru hatlarıyla yapmak? Bu da kompresörler gerektiriyor ve bu
kompresörlerin her 150 kilometrelik pompalama için borudan geçen hidrojenin
%1,4’ünü kullanmaları gerekiyor. Bunun da anlamı, örneğin Kuzey Afrika’dan boru
hattına basılan gazın ancak %60-70’inin Avrupa’ya ulaşabileceği.
3--Hidrojeni taşımak için
ödemek zorunda olduğumuz bu enerji vergisinden kurtulmak için, hidrojenin
mevcut elektrik şebekesinden ya da doğalgazdan yararlanılarak dolum
istasyonlarında ya da evlerde üretilmesi de ucuz bir çözüm değil. Yapılan
hesaplara göre günde 100-2000 arasında otomobile servis veren bir yakıt istasyonu,
elektroliz yoluyla hidrojen üretebilmek için 5-81 megawatt elektriğe gereksinim
duyacak.
3.1--Bunun da anlamı,
hidrojenin merkezi tesislerde değil de yakıt istasyonlarında üretilmesi seçimi,
toplam elektrik üretim kapasitesinin üç katına çıkarılmasını zorunlu hale
getireceği ve tabii en azından görünür gelecekte, gereksinim duyulan fazladan
elektrik, yine fosil yakıt kullanılarak elde edilecek.
4--Hangi seçenek benimsenirse
benimsensin, talebi karşılamak muazzam bir hidrojen dağıtım altyapısının
kurulmasını gerektirecek. Bugün ABD’de yılda 9 milyon ton hidrojen üretiliyor.
20-30 milyon otomobile itki sağlamaya yetecek bu hidrojen, benzin
rafinasyonunda ve kimya fabrikalarında kullanılıyor.
4.1--Ama bu miktar, tam
kapasiteli bir taşımacılık sektörüne gereken miktarın yanında solda sıfır
kalıyor. Bir hidrojen ekonomisinin ortaya çıkıp ayakta kalabilmesi için,
otomobil üreticileri hidrojen arabalarını büyük miktarlarda piyasaya sürmeye
başladığında mevcut benzin istasyonlarının %30- 50’sinin hidrojen servisine
geçmiş olması gerekli.
4.2--Bir araştırma sonucuna
göre ABD’deki toplam otomobil sayısının %40’ına servis verecek bir altyapı için
gereken miktar, 500 milyar dolar ya da daha fazlası.
5—Araçlarda hidrojeni
depolamak da ayrı bir sorun. karbon
nanotüpler, metal hidritler ve sodyum borohidrit gibi kimyasal tepkimelerle
hidrojen üreten maddeler.
5.1--Denenen her malzeme,
umutlandırıcı sonuçlar vermiş. Ama şimdilik hepsinin yüksek sıcaklık ya da
basınç gerektirmek, hidrojeni çok yavaş biçimde salmak ya da karmaşık ve zaman
alıcı geri dönüşüm süreçleri gerektirmek gibi önemli kusurları var.
Dolayısıyla, uzmanların çoğu karamsar.
6--Hidrojen, tümüyle de
sorunsuz bir yakıt değil. Kilogram başına benzinden daha fazla enerji içeriyor;
ama aynı zamanda doğada en az yoğunluğa sahip olan gaz. Dolayısıyla motorun
silindirleri içinde çok yer kaplıyor. Bu da güç verimini azaltıyor; çünkü
karışıma yeterince oksijen giremiyor.
6.1--Aynı zamanda hidrojeni
ateşlemek çok az enerji gerektirdiğinden, hidrojen-hava karışımı sıcak bir
kaynağa, örneğin daha bujiye yaklaşırken ateş alıyor. Bu erken ateşleme de
motorun “öksürmesine” hatta “geri tepmesine” neden olabiliyor.
6.2--Bu sorunu aşabilmek için
BMW, Ford ve Mazda değişik yöntemler deniyorlar. Ford mühendisleri, “supercharger”
denen mekanik bir pompayla silindirin kendi aldığının bir buçuk katı kadar
ilave hava ve uygun oranda yakıt sokarak her patlamanın enerjisini
yükseltiyorlar. Hidrojen- hava oranını çok zayıf, stokyometrik ölçünün %40
düzeyinde tutarak da ön ateşlemeyi ve geri tepmeyi önlüyorlar.
6.3--Hidrojen motorlu bir
Ford Focus, atmosfer basıncının 350 katına dayanıklı deposuyla yeniden yakıt
almadan 240 kilometre yol gidebiliyor. Ve bir elektrikli hibrid sistem ve 700
atmosfer basınca dayanıklı deposuyla yeni konsept otomobili Ford Model U, bir
depoyla bu mesafenin iki katına gidebiliyor.
6.4--Mazda’nın H2 ICE
prototipi de yine gaz halinde hidrojen yakıyor, ama bir Wankel motoruyla
çalışıyor. Bu, bir silindir içinde dönen iki üçgen rotordan oluşuyor. Hidrojenin
silindirdeki havayı boşaltarak kendine yer açma eğilimiyle
başedebilmek için Mazda
mühendisleri, ancak yanma odası havayla dolduktan ve emme sibopları kapandıktan
sonra hidrojeni içeri pompalıyorlar.
6.4.1--Bu doğrudan enjeksiyon
yöntemi, güç çıktısını artırıyor ve oksijenle hidrojen ateşlemenin hemen
öncesinde bir araya getirildiğinden geri tepme ya da geri çalışma önlenmiş
oluyor. Mazda’nın hidrojen motoru, aynı zamanda benzinle de çalışabiliyor.
6.5--BMW’nin H2 ICE modeliyse
maksimum güç gerektiğinde hidrojeni bolca kullanıp stoikometrik durumunda,
diğer zamanlarda ise “perhiz” durumunda çalışıyor. BMW sıvı hidrojenle
çalışıyor ve şirket yine sıvı hidrojenle çalışan bir motosiklet geliştirmiş.
-253°C’de “kaynayıp” gaz haline geçen sıvı hidrojen, iyice yalıtılmış bir depo
içinde tutuluyor ve aracın menzilini büyük ölçüde artırıyor.
6.5.1--İlerideki modellerde
soğuk gazın, yanma odasındaki karışımını daha yoğun hale getirerek verimi
artırması tasarlanıyor. Soğuk hidrojen gazı ayrıca motor parçalarını da
soğutarak geri çalışma ve erken ateşleme gibi sorunları da ortadan
kaldırabilir. BMW’nin H2 ICE modeli de ay¬nı zamanda benzin kullanabiliyor.
6.5.2--Uzmanlar, H2 ICE
otomobillerin beş yıl içinde üretim hattına konabileceğini söylüyorlar.Ancak,
H2 ICE üreticileri satışlar için “macera ruhlu öncülere” güvenseler de,
California’nm “Governator” valisi Arnold Schwarzenegger, hidrojen ekonomisinin
yakıt darboğazını aşma çabalarına yardım için eyaletin karayollarında 2010
yılına kadar 200 hidrojen istasyonu kurdurmayı vaad etmiş olsa bile, hidrojen
ekonomisi, kaderini yakıt hücrelerine bağlamış görünüyor.
6.6--Yakıt hücrelerinin
avantajı, tümüyle sessiz ve gerçekten sıfır kirleticili bir ulaşım olanağı
sağlamaları, hidrojen itkili araçları da çok daha uzun mesafelere taşıyabilme
potansiyeli.
6.6.1--Uzmanlar, tasarımlarda
ve ön modellerde gerekli iyileştirmelerin yapılmasıyla, ilginin bu teknoloji
üzerinde odaklanmasının kaçınılmaz olduğunu söylüyorlar. Nedeni açık: Benzin
motorları, yakıtlarındaki enerjinin ancak %25’inden yararlanabiliyorlar.
Enerjinin geri kalanıysa ısı olarak atılıyor.
6.6.2--H2 ICE
otomobillerinin, hibrid elektrik sisteminin desteğiyle bile varabildikleri
enerji verimi noktası ancak yarı çizgisine yaklaşabiliyor. Gerekli iyileştirmelerin
yapılması halindeyse yakıt hücrelerinin sağlayacağı verim, bir kilo hidrojenin
sağlayacağı verimin %75’i kadar.
7--Geleceğin temiz yakıtı,
çağdaş toplumun fosil yakıtlara karşı alternatifi gibi sıfatlandırmalara
şaşmamak, kendisine bağlanan abartılmış umutları anlayışla karşılamak gerek.
Yarattığı iyimserlik duygu-su öylesine güçlü ki, General Motors şirketi
2020lerin ortasında 1 milyon hidrojen itkili otomobil satmış ilk firma
olacağını açıkladı.
7.1--Bush yönetimi de
hidrojen otomobillerini 2020 yılına kadar ticari üretime sokmayı amaçla-yan ve
1,7 milyar dolar harcama öngören 5 yıllık bir girişim başlattı.
7.2--Avrupa Birliği de
yarışta geri kalmak niyetinde değil. 2004 martında AB Komisyonu, hidrojen yakıt
hücreleri geliştirilmesi için 10 yıl süreli, 2,8 milyar euro çapında bir
kamu-özel sektör ortaklığı projesinin ilk bölümünü başlattı.
7.3--2003 yılında da Japon
hükümeti yakıt hücreleri araştırma-geliştirme bütçesini ikiye katlayarak 268
milyon dolara yükseltti. Ayrıca Kanada, Çin ve diğer bazı ülkeler de bu alanda
kendi çabalarını başlatmış bulunuyorlar
8--Hidrojen bu nedenle,
kütlesel enerji yoğunluğu (142kJ/g) yüksek bir madde ve gramı başına sıvı
hidrokarbonlardan (47kJ/g) bile daha fazla enerji içeriyor. Uzay uçuşlarında
üst kademe roketlerin yakıtı olarak tercih edilmesi bu yüzden. Yanma ürünü
olarak su buharı çıkarttığından, atmosfere kirletici veya sera gazları
salmıyor.
8.1--Sıvı hidrojen çok daha
az yer işgal ediyor, ama bu k'ez başka sorunlar ortaya çıkarıyor. Hidrojen
-253°C sıcaklıkta, yani mutlak sıfır derecenin ancak biraz üzerinde
sıvılaşıyor. Yakıtı bu dereceye kadar soğutmak için, hidrojen içindeki
enerjinin %30’unu kullanmak gerekiyor. Üstelik hidrojeni kaynayıp gaz haline
geçmemesi için yalıtılmış durumda tutmak gerektiğinden, bu seçimde de yakıt
depoları yine sıradan yakıt tanklarından büyük olmak zorunda.
8.2--Hidrojen en hafif
element olduğundan, öteki yakıtlara kıyasla belirli bir hacme ancak çok küçük
miktarları sığıyor. Oda sıcaklığı ve basıncında hidrojen, aynı miktarda enerji
üreten benzinden 3000 kat daha fazla yer istiyor. Bu da, Enerji Bakanlığının
belirlediği 500 km yol yapma ölçütünü tutturacak miktarda yakıtın bir hidrojen
otomobilinin deposuna sığdırılabilmesi için, sıkıştırılmasını,
sıvılaştırılmasını ya da herhangi başka bir ileri depolama tekniği
geliştirilmesini gerektiriyor.
8.3--Ne var ki, bu çözümlerin
hiçbiri, bir otomobili bir depo yakıtla 500 kilometre götürmeye yetmiyor.
Günümüzde prototip olarak geliştirilmiş hidrojen otomobillerinin neredeyse tümü,
sıkıştırılmış gaz kullanıyor. Yine de depolar bir hayli büyük.
8.3.1--700 atmosfer basınca
dayanacak biçimde üretilen yakıt depoları, günümüz arabalarında aynı miktar
yakıt alan depoların 8 katı hacimde. Yakıt hücreleriyse, benzinle çalışan içten
patlamalı motorlara göre iki kat verimli. Ama bunlar bile aynı mesafede yol
katedebilmek için normal arabalardakinden dört kat daha büyük yakıt depoları
istiyor.
8.4--Günümüzde hidrojen
üretiminin en ucuz yolu, buhar ve katalizörler kullanarak doğal gazı H2’ye ve
02’ye ayrıştırmak. Ancak, bu teknoloji on yıllardır kullanılıyor olsa da günümüz
buharlı dönüştürücülerinin verimi %85’i geçmiyor. Bu da doğal gaz içindeki
enerjinin %15’inin, dönüşüm sırasında atık ısı olarak yitirilmesi anlamına
geliyor.
8.4.1--Sonuçta ABD Enerji
Bakanlığı uzmanlarının hesaplarına göre bir galon (yaklaşık 4 litre) benzinin
saldığı enerjiye eşit enerji sağlayacak hidrojenin üretim maliyeti 5 dolar
oluyor
8.5--Kömürden, petrolden ya
da sudan hidrojen elde etmek için kullanılan teknikler, daha da verimsiz. Güneş
ya da rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklarla, C02 üretmeden suyu
ayrıştırmak da mümkün. Ancak bu teknolojiler daha da pahalı.
8.5.1--Örneğin, güneş
enerjisiyle elektrik üretmenin maliyeti, aynı miktar gücü bir kömür santraliyle
üretmenin maliyetinin 10 katı.
8.6--Shell Hydrogen
firmasının yöneticisi Donald Huberts, “Hidrojen içindeki enerji, her zaman için
onu üretmek için kullanılan kaynaklardan daha pahalı olacaktır” diyor.
“Hidrojen, ancak daha temiz hava, daha düşük sera gazları düzeyi vb. gibi
avantajlarıyla rekabet gücü kazanabilir”.
8.7—Öte yandan hidrojenin
yakılmasıyla üretilen subuharı yine bir sera gazı.Fosil yakıt kaynaklı CO2 den
kurtulmaya çalışırken yine bir sera gazı olan su buharına mı tutulmak gerekir
mi.
Kaynak:Tübitak Bilim ve Teknik-Eylül 2004-Raşit Gürdilek-Kaynaklar-Cho, A. “Fire and ICE: Revving Up for H2”, Science, 13 Ağustos2004-Service, R. F., “The Hydrogen Backlash” Science, 13 Ağustos 2004 Garrison, E., “Solid Oxide Fuel Cells” http://www.iit.edu/~smart/garrear/fuelcells.htm